作为一个热爱生活的人，富兰克林对丰富多彩、千变万化的外部世界一直怀有浓厚的兴趣。随着年龄渐长，在繁忙的商业、社会活动之余，出于他那永无止境的求知欲和孜孜不倦的好学精神，又开始了对大自然的不尽探索。
早在他20岁时从伦敦返回费城的海途中，他就对他观察到的大气的突然变化，海豚身体颜色、光泽的变换等等作过准确的记述。在回到费城后艰苦创业的岁月中，无暇顾及科学研究的他仍经常想到“自然哲学”，并留心同他有机会遇见的专家们交朋友。
就在他倡办“美洲哲学学会”的1743年，他作了一次堪与第一流的气象学家媲美的关于气候现象的观察。他写道：
“星期五［10月21日］晚上九点，费城上空将出现月食。我打算观察它，却被一场东北方来的暴风雨所阻碍。这场暴风雨7点到此，像往常一样带来厚厚的云层，使整个半球阴霾四布。可是当邮差将波士顿的报纸送到，那上面记述了同一场风暴在那一地区造成的后果，我发现月食的开始在那里清楚地观察得到，尽管波士顿位于费城东北面400英里之处。这个使我迷惑了，因为那场风暴在我们这儿开始得那么早，使得我们不能进行观察；而那是一场东北风向的风暴，我想像它在远在费城东北方向的地方应发生得更早。因此，我在给我在波士顿一位哥哥的信中提到了它；而他告诉我说，那场风暴直到晚上11点才到达他们那里，所以他们能清楚地看到月食。在比较了我得到的其他几处殖民地关于那场风暴发生时间的记述后……我发现在东北而越远的地方，风暴总是发生得越迟。
“由此，我对这些风暴的成因形成了一个看法，对它我将以一两件人所熟知的事例加以解释。假定一条长运河里的水在终端被一道闸门堵住了。水一直很平静，直到闸门打开，这时它开始流出闸门，紧挨闸门的水先动，向闸门流动；紧挨着先动的水的水接着流动起来，这样连续不断，直到运河的尽头流动起来，运河尽头的是最后才动的。这里，所有的水的确是向闸门流动的，但依次开始流动的时间却是反向的，也就是从闸门开始，倒回到运河的尽头。再看一例，假想一个房间里的空气是静止的，没有气流穿过房间，而后你在烟囱里升起火来，立即，烟囱里的空气受热而上升，紧挨着烟囱的空气流进烟囱补充它的位置而向烟囱流动；接下去，其余的空气也连续地向烟囱流去，一直到门那里。就这样，产生了我们的东北风向的风暴：我设想在墨西哥湾或那附近的空气因剧烈受热而稀薄上升，它原来的空间由它以北毗邻的较冷、因而较浓密、较重的空气来补充，这一空气的流动又引起它更北部的空气也流过来，形成一股连续运动的气流，而我们的海岸线和内地的山脊使这气流呈东北方向，因为它们是东北—西南走向的。”
富兰克林在此留下了他那强有力的看法，留待他人去理解到，他已向着关于那巨大的旋转的风系即旋风或逆旋风的知识迈出了第一步。
1748年，富兰克林把他观察到的蚂蚁的一些情况告诉了一位瑞典生物学家。他相信，在蚂蚁之间存在着一种类似交谈的东西。为此，他做了实验。一些蚂蚁爬进了放在橱柜里的一只盛着蜜糖的瓦罐里，他抖掉了罐子里所有的蚂蚁，只留下了一只，然后把罐子用绳子挂在天花板上的一根钉子上。罐里的那只蚂蚁吃够了糖蜜后，设法从那根绳子爬到了天花板上，再从天花板沿着墙爬到了地板上。过了半个小时，大群的蚂蚁蜂拥而至，仿佛是他们得知了消息，沿着刚才那只蚂蚁爬过的路线，到了耀子里，吃光了剩下的糖蜜，再沿绳子、天花板等原路离开。
1750年8月23日，富兰克林写道，他观察他的一只钉在墙上的鸽棚——其大小够养6对鸽子——里的鸽子，“尽管它们繁殖得像邻居家的鸽子一样快，我的鸽子却从来没有超出六对：那些年长、强壮的鸽子把年幼、体弱的鸽子赶出去，迫使它们去寻找自己的新居。最后，我挂上了一个新的鸽棚，里面分了格子，可容另外的12对鸽子栖身。没过多久，它就被原来鸽棚和邻居家鸽棚被赶出来的鸽子住满了。”
富兰克林对农业也感兴趣。他是最早感觉到农村的农业资源不应被浪费，感到正如农业是一种生活方式一样，农业也应和商业相联系，应是一门科学的美国人之一。他敦促他所创办的学院讲授种植和园艺。
1752年4月23日，他在给卡德瓦拉德•科尔登的信中谈到了空气和光。他写道：“我必须承认，我对于光是一无所知的。那种假定称为光的物质微粒连续不断地被从太阳表面快得惊人地送出的学说没有使我满足。以这样的运动，那些可想像的极为微小的颗粒一定不会具有超过大炮发射出的24磅重的炮弹的力量吗？……难道不可以更为合宜地把所有光的现象解释为：假定宇宙空间充满着一种微妙的有弹性的流质，当它静止时，是看不见的，但它的震颤则影响到了精细的眼睛的视觉，如同空气的震动影响耳朵这种较粗的器官一样。
以声音的例子来说，我们没有想像比如说一座钟发出的响亮的微粒循直线飞向耳朵；我们为什么一定要想像有光亮的微粒离开太阳，直奔眼睛呢？……好在我们不像可怜的伽利略那样被宗教法庭指责为异端邪说。我悄声在私人信件中反对正统学说会是危险的。”在当时，已经有人提出光波理论，富兰克林是否知道它，不得而知。但清楚的是，他提出了自己的看法或支持了他认为更合理的新理论，向正统的学说挑战。
那年12月，他为他在波士顿的哥哥约翰制作了美洲医学史上第一根有弹性的导尿管。当时，他跑到银匠那里“指点他制作一根（坐在旁边直到完工）”，然后寄给了他的哥哥。
在他从科学研究的这第一阶段，他还接近完全地观察和记述了一场旋风发生的情况。那是在1755年，“在马里兰，同塔斯克上校以及其他一些绅士一道骑马到他的乡下住所去，在那里，我和儿子受到这位和蔼可亲又可敬的人极为殷勤、亲切的款待。走着走着，我们看到一股小小的旋风在我们下面的的山谷中的一条路上刮起来了，它扬起和挟裹的尘土显示出它的形状，如同一块长形糖面包，尖端朝下旋转着朝我们移动过来，一边行进，一边膨胀起来。当它经过我们旁边时，它那接近地面的小的底端像一只普通的水捅大小，但越往上越大，看上去有40到50英尺高，半径长达20到30英尺。我们一行人站住了注视着它，可好奇心比较强烈的我跟随着它，骑马走在它的边上，观察到它一边前进，一边把它小的底端的尘土全都卷起。一般认为，向龙卷风掠过水面时卷起的水柱开上一枪，就会使它破碎，我便不断地向着这股小小旋风挥鞭打去，想将它打散，可是没有一点效果。
不一会儿，它离开了道路，进入了树林，每一刻过去，它都变得更大、更强劲，它卷起的不是尘土了，而是地上堆积得厚厚的陈年干树叶，用它们和树枝搅起巨大的响声，并迅速地将高大的树弯成圆圈，令人吃惊；尽管那旋风前进的速度已不那么快，一个人步行都可以跟上它，但它的圆周运动却快得惊人。从它现在裹挟着的树叶，我能清楚地感觉到它激进的气流是呈螺旋状上升。当看到大树的树干和树身在旋风吹过之处变弯，直到风离开后还保持原样时，我对我的鞭子在它体积尚小时不能破坏它便不再感到奇怪了。
我伴随它走了3/4英里，直到一些死树的树枝被旋风所断裂而四散飞迸，并落在我的近旁，使我更加担心有危险时，我站住了，看着它继续移动着的顶端——它由于挟带着的树叶子而成为有形的——高高地露出在树顶上方。许多树叶，由于在较高和最宽处得到松释而在风中散落。但由于已被带到如此之高的空中，它们显得只像苍蝇般大小。
